[물리학이야기]생활속 물리현상 - 수영, 롤러코스터, 바이킹, 자이로드롭 3부






수영


뉴턴의 운동법칙 중 제3법칙. 작용과 반작용 법칙은 A물체가 B물체에게 힘을 가하면(작용) B물체 역시 A물체에게 똑같은 크기의 힘을 가한다는 것이다.(반작용) 즉, 물체 A가 물체 B에 주는 작용과 물체B가 물체A에 주는 반작용은 크기가 같은 방향이 반대이다.



총을 쏘면 총이 뒤로 밀리거나(총과 총알) 지구와 달 사이의 만유 인력(지구와 달), 건녀편 언덕을 막대기로 밀면 배가 강가에서 멀어지는 경우가 그예이다. 이러한 작용 반작용의 법칙을 수영에 적용시키면 수영에서 작용과 반작용의 법칙은 우리가 손이나 발로 물을 10의 힘으로 밀어주면 물 역시 우리의 손과 발을 10의 힘으로 밀어준다.


이때 우리의 몸은 고정된 상태가 아니기에 물을 미는만큼의 추진력이 생기고, 그 추진력이 강하면 강할수록 빠르게 나아갈 수 있다. 또한 하나 주의해야 할 사항은 물을 미는 방향인데, 추진력은 우리가 물을 밀어주는 정반대 방향으로 우리를 밀어주기 때문에 미는 방향에 주의 하여야 한다. 만약 우리가 물을 아래로 누르면 힘은 우리 몸은 위로 올라올 것이고, 뒤로 밀면 앞으로 갈 것이다. 이게 수영에서의 작용과 반작용의 법칙이다.

  

 

롤러코스터 (에너지보존의 법칙 + 원심력)


위에서 아래로 저절로 떨어지는 롤러코스터. 롤러코스터는 굉음을 내며 고속으로 질주하며 짜릿한 스릴을 전해준다. 하지만 정작 기계가 하는 일은 열차를 레일 꼭대기에 올려놓기 위해 전력을 공급하는 것 뿐이다. 그 다음부터는 아무것도 하징 않아도 중력에 의해 저절로 아래로 떨어진다. 이는 위치에너지와 운동에너지의 관계 때문이다. 일정한 높이에서의 중력에 대한 위치에너지가 운동에너지로 변화하여 점점 속력이 빨라지는 것이다.




물체의 위치에너지와 운동에너지를 더한 것을 역학적 에너지라고 하는데, 이 역학에너지의 합이 항상 일정하다는 것이 ‘역학에너지 보존의 법칙’이다. 위치 에너지가 클 때, 즉 물체가 높은 곳에 있을 때 운동에너지는 작아지고, 위치에너직 작아지면 운동에너지가 커지면서 물체의 속력이 빨라진다. 일단 열차를 높은 곳에 올려놓아 위치에너지를 극대화 시키면, 열차는 정해진 코스를 돌아 점점 아래로 내려오면서 위치에너지는 감소하고, 속도가 점점 빨라져 운동에너지는 증가하면서 속도감을 느끼는 것이다.



실제 롤러코스터를 타는 동안 극대화된 스피드를 느끼는 순간은 열차가 지면에 가까워지는순간이라는 것을 알 수 있다. 롤러코스터가 운행되는 동안, 공기의 저항과 레일과 열차 사이에 마찰이 없다고 가정하면 위치에너지와 운동에너지의 총량은 변하지 않고 일정하게 유지된다.


그런데 롤러코스터가 아래로 떨어질 때는 왜 추락하지 않을까. 그 이유는 지구가 당기는 힘으보다 더 큰 힘을 작용해 지표면에 떨어지지 않는 원리를 이용하는 것이다. 그 힘은 바로 원심력이다. 원심력은 원운동을 하고 있는 물체에 나타나는 관성력이다. 구심력과 크기가 같고 방향은 반대이며, 원의 중심에서 멀어지려는 방향으로 작용한다. 롤러코스터에 탈 때, 버스가 커브 길을 돌 때 그 안에 있는 우리는 힘이 작용한다고 느끼지만 실제로 존재하는 힘은 아니다.


 

바이킹(단진동 + 공명)


진자는 중력의 영향 하에서 전후로 자유롭게 움직일 수 있도록 한 점에 고정되어 매달려 있는 물체를 말한다. 이 물체가 움직이는 것을 진자 운동이라 하며, 만약 진자 운동 중에 마찰력이 작용하지 않는다면 진자는 일정한 주기로 영원히 움직일 것이다.


진자 운동에서 진자가 한 쪽 끝에서 반대편 끝까지 도착하는데 걸리는 시간을 ‘진자의 주기’, 진자 운동의 폭을 ‘진폭’이라고 한다. 진자의 주기는 진자의 질량이나 진폭과 상관없이 진자의 길이에만 영향을 받는다. 즉, 바이킹에 사람이 많이 타건 적게 타건, 기계가 바이킹의 높이를 더 높게 올리든 낮게 내리든 상관없이 한쪽 끝에서 다른 쪽　끝으로 가는데 걸리는 시간은 항상 같다.


즉, 바이킹은 공을 실에 매달아 흔드는 단진동과 똑같지는 않지만 비슷한 모양으로 진자운동을 하는 놀이기구이다. 공을 실에 매달아 흔드는 모양이다. 그렇다면 바이킹은 어떻게 해서 흔들리는 폭이 점점 커지게 될까? 그것은 바이킹을 움직이는 것은 흔히 생각하는 것처럼 위쪽의 배를 매달고 있는 장치가 아니라 배의 밑바닥에 있는 두 개의 모터에 의한 것으로, 2개의 모터가 왼쪽, 오른쪽으로 돌면서 배를 왕복운동하게 하는 것이다. 


왕복운동이 진행되면서 바이킹은 점점 높이 올라가게 되는데, 이는 배의 밑바닥에 있는 2개의 바퀴가 회전속도를 점점 높이기 때문이다. 이렇게 굴려주는 바퀴는 마치 우리가 그네를 타면서 점점 크게 굴리듯이 하는데 바이킹의 흔들림과 바퀴의 회전시켜주는 것이 똑같은 주기로 작동하기 때문에 흔들림이 점점 커지는 것이다. 이와 같이 서로 다른 2개의 주기가 같아 에너지가 커지는 것을 공명이라고 한다.


그리고 [ㅅ]자 모양의 기중 접합부에 붙어 있는 센서(자동 감지기능을 갖춘 센서)가 배의 높이를 감지해서, 배의 높이가 높으면 바퀴의 회전 속도를 느리게 하라는 신호를, 배의 높이가 낮으면 바퀴의 속도를 빠르게 하라는 신호를 보내 바퀴의 회전속도를 조절함으로써 배의 높이를 조절한다.




바이킹에서도 위치에너지와 운동에너지는 작용한다. 바이킹이 가장 높은 곳에 올라갔을 대 잠시 멈추는데, 이때 위치에너지는 가장 크고 운동에너지는 가장 작다. 그리고 바이킹이 다시 내려올 때는 위치에너지가 운동에너지로 바뀌면서 속도가 점점 빨라진다. 그래서 낮은 곳, 즉 중앙지점을 통과할 때 속도는 가장 빠르다.


평상시 우리는 중력과 수직항력을 동시에 받고 있다. 중력으로 인해 발로 바닥을 ‘누르는 힘’이 발생하는데, 이 누르는 힘의 반작용이 곧 수직항력이다. 수직항력은 누르는 힘의 반작용이며 중력과 평형 관계에 있다. 우리는 중력과 수직항력을 동시에 받는다.


그런데 만약 공기정항이 없는 상태에서 자유 낙하하는 중이라면 바닥을 누르는 힘이 없기 때문에 그 반작용인 수직항력 또한 작용하지 않는다. 즉 우리 몸에는 오로지 중력만 작용하게 되는 것이다. 이 상태를 무중력상태라고 한다. 우리는 지구상에서 실제로 무중력상태를 경험할 순 없지만, 마치 무중력이 된 듯한 착각을 느낄 때가 있다. 바이킹을 탈고 밑으로 떨어질 때 느끼는 느낌 은 무중력이 아니라 바로 수직항력이 없기 때문에 느껴지는 것이다.



자이로드롭(전자기유도 + 가속도운동)


자기장은 우리가 가지고 놀던 자석의 N극과 S극을 이용한 힘 이라고 생각하면 되는데, 우리가 과학시간에 사용했던 자석은 그 힘이 매우 적지만, 자이로드롭에 사용되는 자기장은 영구자석의 ‘와전류 방식’이용한 것이라서 그 힘이 강하다. 와전류로 제동하는 방법은 자기장 내에서 도체가 움직일 때 도체 내부에서 자기장의 변화를 방해하는 방향의 자기장을 생성하는 전류가 발생하는 원리를 이용하는 제동이다.


영구자석의 '와전류 방식'이란 자석의 N극과 S극 사이에 전류가 통하는 금속을 넣으면 순간적으로 전류가 흐르면서 금속이 자석의 성질을 띄게 되는데, 이때 발생하는 금속의 자기장은 자석의 자기장과 서로 밀어내려는 성질, 즉 반발력을 갖는다. 그 강한 반발력에 의해 자이로드롭은 순간적으로 멈추게 되는 것이다.


즉, 와전류란 자성체 중에서 자속이 변화하면 기전력이 발생하고, 이 기전력에 의해 자성체 중에 소용돌이 모양의 전류가 흐르는 것이다. 자이로드롭의 아래 부분에 타워 중앙에 12개의 금속판이 있고 의자뒤에 12개의 긴 말굽모양 자석이 있어서 금속판과 자석이 만나게 되면 자석과 타워에 있는 금속이 자석이 되어서 강한 반발력이 생겨서 자이로드롭이 순간적으로 멈출 수 있게 되는 것이다.


또한 자이로드롭을 탈 때 다리가 들리는 느낌은 다리 아래쪽에 생긴 고기압 때문이다. 탑승의자가 고속으로 떨어지게 되면 의자 밑의 공기가 밖으로 밀리면서 탑승자들의 다리 밑은 순간적으로 고기압 상태가 된다. 고기압은 저기압으로 흐르는 성질이 있어 공기는 아래에서 위로 흐르게 되고, 이 때 탑승자들의 다리는 들어 올려 지게 되는 것이다. 멈출 때 땅으로 꺼지는 느낌이 드는 이유는 탑승의자가 가지는 가속도 때문이다. 탑승의자의 가속도(평균 17m/s2)는 우리가 일반적으로 느끼는 중력가속도(9.8m/s2) 보다 커 평소보다 중력을 크게 느끼기 때문이다. 이렇게 자이로드롭에는 자기장, 가속도의 원리 등이 포함되어 있다.






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